フォトダイオード

フォトダイオード
	1つのGe（上）と3つのSi（下）フォトダイオード
コンポーネントタイプ	パッシブ、ダイオード
動作原理	光を電流に変換する
ピン名	陽極と陰極
電子シンボル

フォトダイオードは、可視光、赤外線、紫外線、X線、ガンマ線などの光子放射線に感度を持つ半導体ダイオードです。^[¹^]光子を吸収すると電流が発生します。これは、検出・測定用途、あるいは太陽電池における発電に利用できます。フォトダイオードは、可視光光電セルからガンマ線分光計まで、電磁スペクトル全体にわたる幅広い用途に使用されています。

動作原理

フォトダイオードはPIN構造、つまりp-n接合です。十分なエネルギーを持つ光子がダイオードに当たると、電子と正孔の対が生成されます。このメカニズムは内部光電効果としても知られています。吸収が接合の空乏領域、またはそこから1拡散長離れた場所で発生した場合、これらのキャリアは空乏領域に内在する電界によって接合から押し出されます。こうして正孔は陽極に向かって、電子は陰極に向かって移動し、光電流が発生します。フォトダイオードを流れる全電流は暗電流（光がない場合に流れる電流）と光電流の合計であるため、デバイスの感度を最大化するには暗電流を最小限に抑える必要があります。^{[ 2 ]}したがって、フォトダイオードは逆バイアスで最も理想的に動作します。

まず第一に、与えられたスペクトル分布に対して、光電流は放射照度に比例します。^{[ 3 ]}

光発電モード

光起電力モード（ゼロバイアス）では、光電流は短絡したカソードを介してアノードに流れ込みます。回路が開いているか負荷インピーダンスがあり、デバイスからの光電流が制限されている場合、ダイオードを順方向（つまりカソードに対してアノードが正）にバイアスする方向に電圧が発生します。回路が短絡しているかインピーダンスが低い場合、順方向電流によって光電流のすべてまたは一部が消費されます。このモードは、太陽電池の基礎となる光起電力効果を利用しています。従来の太陽電池は、単に大面積のフォトダイオードです。最適な出力を得るために、太陽電池は光電流と比較してわずかな順方向電流しか発生しない電圧で動作します。^[³^]

光伝導モード

光伝導モードでは、ダイオードは逆バイアス、つまりカソードがアノードに対して正に駆動されます。これにより応答時間が短縮されます。これは、逆バイアスの増加によって空乏層の幅が広がり、接合容量が減少し、電子が急速に収集される電界領域が増加するためです。また、逆バイアスは光電流に大きな変化を与えることなく暗電流を生成します。

このモードは高速ですが、光伝導モードでは暗電流やアバランシェ効果により電子ノイズが多く発生する可能性があります。^{[ 4 ]}良質なPINダイオードのリーク電流は非常に低い（<1nA）ため、一般的な回路では負荷抵抗のジョンソン・ナイキストノイズが支配的になることが多いです。

材料

フォトダイオードの製造に使用される材料は、その特性を定義する上で非常に重要です。材料のバンドギャップを越えて電子を励起するのに十分なエネルギーを持つ光子だけが、大きな光電流を生成するからです。

フォトダイオードの製造に一般的に使用される材料を下の表に示します。^{[ 9 ]}

材料	電磁スペクトルの波長範囲（nm）
シリコン	190～1100年
ゲルマニウム	400～1700年
インジウムガリウムヒ素	800～2600
硫化鉛(II)	<1000～3500
テルル化水銀カドミウム	400～14000

シリコンベースのフォトダイオードはバンドギャップが大きいため、ゲルマニウムベースのフォトダイオードよりもノイズが少なくなります。

_MoS2やグラフェンなどの二元材料がフォトダイオードの製造のための新しい材料として登場した。^{[ 10 ]}

不要なフォトダイオード効果と必要なフォトダイオード効果

p-n接合は、光が当たるとフォトダイオードとなる可能性があります。ダイオード、トランジスタ、ICなどの半導体デバイスはp-n接合を有しており、不要な光が当たると正常に動作しません。^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}これを回避するために、デバイスは不透明なハウジングに封止されています。これらのハウジングが高エネルギー放射線（紫外線、X線、ガンマ線）に対して完全に不透明でない場合、ダイオード、トランジスタ、ICは誘導された光電流によって誤動作を起こす可能性があります。 ^{[ 13 ] 。}パッケージからの背景放射線も重要です。^{[ 14 ]}これらの影響は、耐放射線性を高めることで軽減されます。

場合によっては、その効果が実際に望まれることもあり、例えばLEDを光感応デバイス（光センサーとしてのLEDを参照）として使用したり、エネルギーハーベスティング（発光・光吸収ダイオード（LEAD）と呼ばれることもある）に使用したりすることがあります。^{[ 15 ]}

特徴

フォトダイオードの重要なパフォーマンスパラメータには、スペクトル応答性、暗電流、応答時間、ノイズ等価電力などがあります。

分光応答性: 分光応答度は、入射光量に対する生成光電流の比であり、光伝導モードで使用する場合はA / Wで表されます。波長依存性は、量子効率、つまり光生成キャリア数と入射光子数の比で表されることもあります。これは単位のない量です。
暗電流: 暗電流とは、光伝導モードで動作しているフォトダイオードにおいて、光が存在しない状態でフォトダイオードを流れる電流です。暗電流には、背景放射線によって生成される光電流と半導体接合の飽和電流が含まれます。フォトダイオードを用いて正確な光パワー測定を行う場合、暗電流は校正によって考慮する必要があります。また、フォトダイオードを光通信システムで使用する場合、暗電流はノイズ源となります。
応答時間: 応答時間とは、検出器が光入力に応答するのに必要な時間です。半導体材料に吸収された光子は電子-正孔対を生成し、これが電界の影響を受けて材料内を移動し始め、電流を生成します。この電流の有限な持続時間は走行時間広がりとして知られており、ラモの定理を用いて評価できます。この定理を用いて、外部回路で生成される全電荷は eであり、2 つのキャリアの存在から予想される 2e ではないことも示せます。実際、電子と正孔の両方による電流の時間積分はe に等しくなければなりません。フォトダイオードと外部回路の抵抗と容量は、RC 時定数( )として知られる別の応答時間を生み出します。この R と C の組み合わせは、光応答を時間とともに積分し、フォトダイオードのインパルス応答を長くします。光通信システムで使用する場合、応答時間によって信号変調、ひいてはデータ伝送に利用できる帯域幅が決まります。 $\tau =RC$
ノイズ等価電力: 雑音等価電力（NEP）は、光電流を生成するための最小入力光電力であり、1 Hz 帯域幅の rms 雑音電流に等しい。 NEP は基本的に最小検出可能電力である。関連する特性検出能（）は NEP の逆数（1/NEP）であり、比検出能（）は 1 Hz帯域幅の光検出器（）の面積（）の平方根に検出能を乗じたものである。比検出能により、センサー面積やシステム帯域幅とは関係なく、さまざまなシステムを比較することができ、検出能の値が高いほど、低ノイズのデバイスまたはシステムであることを示す。^[¹⁶^]多くのカタログではダイオードの品質の指標として（）を示すのが一般的だが、実際にはこれが重要なパラメータとなることはほとんどありません。 $D$ $D^{\star}$ $A$ $D^{\star }=D{\sqrt {A}}$ $D^{\star}$

光通信システムでフォトダイオードを使用する場合、これらすべてのパラメータは光受信機の感度に寄与します。感度とは、受信機が指定されたビットエラーレートを達成するために必要な最小入力電力です。

アプリケーション

p-nフォトダイオードは、光伝導体、電荷結合素子（CCD）、光電子増倍管などの他の光検出器と同様の用途に使用されます。光量に応じた出力（測定用アナログ出力）を生成するため、または回路の状態を変化させるため（制御・スイッチング用、またはデジタル信号処理用デジタル出力）に使用されます。

フォトダイオードは、コンパクトディスクプレーヤー、煙探知器、医療機器^[¹⁷^] 、テレビからエアコンまで様々な機器を制御する赤外線リモコン受信機などの民生用電子機器に使用されています。多くの用途では、フォトダイオードと光伝導体のどちらも使用できます。どちらのタイプの光センサーも、カメラの露出計のように光測定に使用したり、暗くなってから街灯を点灯させるなど、光量に反応する用途に使用できます。

あらゆる種類の光センサーは、入射光、または同じ回路やシステムの一部である光源に反応するために使用できます。フォトダイオードは、多くの場合、発光体（通常は発光ダイオード（LED））と一体化した単一のコンポーネントとして使用され、ビームへの機械的な障害物の存在を検出する（スロット型光スイッチ）か、2つのデジタル回路またはアナログ回路を、多くの場合安全のために、それらの間の極めて高い電気的絶縁を維持しながら結合する（オプトカプラ）ために使用されます。LEDとフォトダイオードの組み合わせは、多くのセンサーシステムで、光吸収に基づいてさまざまな種類の製品を特性評価するためにも使用されています。

フォトダイオードは、科学や産業において光強度の正確な測定によく用いられます。一般的に、フォトコンダクタよりも直線的な応答特性を示します。

これらは、コンピューター断層撮影用の検出器（シンチレータと組み合わせる）、サンプルを分析する機器（免疫測定）、パルスオキシメータなど、さまざまな医療用途にも広く使用されています。

PIN ダイオードは p-n 接合ダイオードよりもはるかに高速で感度が高いため、光通信や照明制御によく使用されます。

p-nフォトダイオードは、極めて弱い光強度の測定には使用されません。代わりに、高感度が必要な場合は、アバランシェフォトダイオード、高感度電荷結合素子、または光電子増倍管が、天文学、分光法、暗視装置、レーザー測距などの用途に使用されます。

光電子増倍管との比較

光電子増倍管と比較した利点：^{[ 18 ]}

入射光の関数としての出力電流の優れた直線性
190 nmから1100 nm（シリコン）までのスペクトル応答、他の半導体材料ではより長い波長
低ノイズ
機械的ストレスに耐える耐久性
低コスト
コンパクトで軽量
長寿命
高い量子効率、典型的には60～80% ^{[ 19 ]}
高電圧は不要

光電子増倍管と比較した欠点：

小さなエリア
内部ゲインなし（アバランシェフォトダイオードを除く。ただし、アバランシェフォトダイオードのゲインは通常10 ²～10 ³で、光電子増倍管のゲインは10 ⁵～10 ⁸である）
全体的な感度が大幅に低下
光子の計数は、特別に設計された、通常は冷却されたフォトダイオードと特別な電子回路によってのみ可能となる。
多くの設計では応答時間が遅くなります
潜在効果

ピン留めフォトダイオード

ピンフォトダイオード（PPD）は、それぞれP型またはN型の基板層の上に、それぞれN型またはP型の拡散層に浅いインプラント（P+またはN+）があり、中間拡散層はバイポーラ接合トランジスタのベース領域のように多数キャリアを完全に空乏化できます。PPD （通常はPNP）は CMOS アクティブピクセルセンサーで使用されます。MOSバッファコンデンサと、完全な電荷転送と画像遅延のないバックライト照明方式を備えた前身のNPNP三重接合バリアントは、1975年にソニーによって発明されました。この方式は、電荷転送デバイスの多くのアプリケーションで広く使用されました。

初期の電荷結合素子イメージセンサーはシャッターラグに悩まされていた。これは主に、ピン留めフォトダイオードの再発明によって説明がついた。^{[ 20 ]}これは1980年にNECで寺西信一、白木博光、石原康夫によって開発された。 ^[²⁰^]^[²¹^]ソニーは1975年に、信号キャリアをフォトダイオードからCCDに転送できればラグをなくせることを認識した。これが、低ラグ、低ノイズ、高量子効率、低暗電流の光検出器構造であるピン留めフォトダイオードの発明につながった。^[²⁰^]これは1982年に寺西と石原がA.コホノ、E.オダ、K.アライと共同でアンチブルーミング構造を加えて初めて公表した。^[²⁰^]^[²²^] 1975年にソニーが発明し、1982年にNECが開発し、1984年にコダックが開発した新しい光検出器構造は、1984年にコダックのBCバーキーによって「ピンフォトダイオード」（PPD）と名付けられました。1987年には、PPDはほとんどのCCDセンサーに組み込まれ始め、民生用電子ビデオカメラ、そしてデジタルスチルカメラに欠かせないものとなりました。^[²⁰^]

低電圧PPD技術を採用したCMOSイメージセンサーは、1995年にJPLとコダックの共同チームによって初めて開発されました。PPD技術を採用したCMOSセンサーは、1997年にRM Guidash、2000年にK. YonemotoとH. Sumi、2003年にI. Inoueによってさらに改良・発展を遂げました。これにより、CMOSセンサーはCCDセンサーと同等の撮像性能を実現し、後にCCDセンサーを上回る性能を発揮しました。